林禎杉

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

沉井結(jié)構(gòu)是市政給排水工程以及民用建筑工程中常用的構(gòu)筑物。按平面形狀劃分，基本可以分為圓形與矩形，并且隨著各類功能需求的增多，發(fā)展出多種內(nèi)隔類型的沉井結(jié)構(gòu)。

中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)在頒布了《給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》2002版后，于2015年4月16日又發(fā)布了規(guī)程的修訂版[1]。修訂版規(guī)程提供了圓形沉井、帶中隔墻圓形沉井、單孔矩形沉井以及雙孔矩形沉井的計(jì)算方法。此外，同濟(jì)大學(xué)段良策等[2]編著的《沉井設(shè)計(jì)與施工》對(duì)沉井的分類、設(shè)計(jì)方法以及施工過(guò)程也進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，為沉井的設(shè)計(jì)提供了寶貴的資料。王恒棟[3]、蔣燕等[4]分別對(duì)圓形沉井、矩形沉井在頂力作用下的內(nèi)力分析進(jìn)行了研究，丁志全等[5]對(duì)Midas在圓形沉井設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也進(jìn)行了介紹。

然而，對(duì)于一些非標(biāo)準(zhǔn)型的矩形沉井，依靠現(xiàn)有的規(guī)范公式或等代框架法，存在諸多不便，且計(jì)算精度不足。SAP2000是一個(gè)集成化的大型通用有限元分析與設(shè)計(jì)軟件，可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、大壩等不同體系類型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，目前在國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，其分析與設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性也得到業(yè)界廣泛認(rèn)可。SAP2000可以便捷地完成幾何形態(tài)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模，可以模擬施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)在不同形態(tài)、不同工況下的狀態(tài)，并可靠地輸出其內(nèi)力與變形。本文以一個(gè)已完成施工圖設(shè)計(jì)的矩形沉井為例，介紹SAP2000在該工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

該工程為某江水源熱泵取退水工程的矩形頂管工作井，十字形內(nèi)隔將工作井分為4個(gè)孔，孔內(nèi)凈尺寸要求為3.5m×4.5m、7.5m×4.5m，如圖1所示。該工程Y向內(nèi)隔墻Q2未延伸至底板頂面，Q2底部距底板面為4m?；谝?guī)范的表格法與等代框架法對(duì)于這種非常規(guī)支承的矩形沉井，適用性較差。

該工程臨近河道，主要穿越土層為填細(xì)砂層、淤泥層、細(xì)砂層，選擇不排水施工的方案設(shè)計(jì)，以免流砂。

圖1 沉井平面、剖面

2 計(jì)算過(guò)程

2.1 主要驗(yàn)算內(nèi)容

沉井設(shè)計(jì)需結(jié)合施工過(guò)程進(jìn)行分析，主要需要驗(yàn)算以下內(nèi)容。

(1)下沉驗(yàn)算：下沉系數(shù)應(yīng)大于1.05，以使沉井能夠靠自重下沉，下沉系數(shù)越大，下沉越快；下沉穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)介于0.8～0.9之間，以使免發(fā)生突沉或超沉。

(2)豎向抗拉驗(yàn)算：避免沉井下沉過(guò)程中卡住，而產(chǎn)生斷裂。

(3)土體穩(wěn)定性驗(yàn)算：對(duì)于頂管工作井，需要驗(yàn)算頂力作用下后背土體的穩(wěn)定性。

(4)井壁內(nèi)力與配筋：需驗(yàn)算沉井過(guò)程、封底階段、頂管階段以及使用階段的井壁受力情況，并進(jìn)行相應(yīng)的配筋。

對(duì)于不排水下沉，下沉系數(shù)驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)考慮水浮力的阻礙作用。該工程計(jì)算得到的下沉系數(shù)為1.39，能夠滿足規(guī)范要求。下沉系數(shù)不超過(guò)1.5，且地基持力層為砂土層，可不考慮下沉穩(wěn)定驗(yàn)算。

該工程頂管孔對(duì)截面削弱較少，豎向抗拉驗(yàn)算滿足要求。實(shí)際上，豎向抗拉驗(yàn)算一般適用于磚砌體沉井、素混凝土沉井，或者上部土體較硬而下部土體較軟情況[6]，根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，該工程可不進(jìn)行驗(yàn)算。

頂管工作時(shí)，井壁應(yīng)滿足頂管承載力需求，并驗(yàn)算后背土體穩(wěn)定性。對(duì)于該工程這種松軟土質(zhì)，在不進(jìn)行土體加固情況下，后背土體穩(wěn)定性往往是頂管力取值的主要限制。因此，設(shè)計(jì)中先按后背土體穩(wěn)定性反算頂管力標(biāo)準(zhǔn)值，然后驗(yàn)算井壁承載力。

本文主要介紹SAP2000在井壁內(nèi)力分析以及后續(xù)配筋中的實(shí)踐案例。對(duì)于受內(nèi)側(cè)支承條件變化影響較小的內(nèi)容，如下沉驗(yàn)算、豎向抗拉驗(yàn)算、土體穩(wěn)定性等，本文的參考文獻(xiàn)中已提供了較為便捷的計(jì)算方法，此處不再展開(kāi)。

2.2 SAP2000主要步驟

(1)殼單元模擬：采用殼單元，按實(shí)際定義沉井外壁、內(nèi)隔墻的墻厚與材料強(qiáng)度。

(2)網(wǎng)格劃分：該工程根據(jù)整體結(jié)構(gòu)尺寸，按不大于800mm×800mm的尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分可采用自動(dòng)劃分，也可人工干預(yù)。

(3)邊界約束條件：基底約束均指定為鉸接。

(4)靜力荷載輸入：輸入隨深度增大的外側(cè)壁水壓力和土壓力。

需要指出的是，在SAP2000中，通過(guò)指定“節(jié)點(diǎn)樣式”和面荷載的“表面壓力”指定，可以非常方便地施加線性變化的面荷載。

(5)定義荷載工況：利用SAP2000的階段施工模塊，模擬施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的各種工況。

階段施工是一個(gè)特殊的非線性靜力分析，可用來(lái)模擬施工過(guò)程結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量、荷載等不斷變化過(guò)程[7]。

(6)運(yùn)行分析的結(jié)果查看：SAP2000可方便查看構(gòu)件在各單工況、組合工況下受力以及內(nèi)力包絡(luò)值。

根據(jù)井壁的內(nèi)力包絡(luò)圖，對(duì)井壁進(jìn)行區(qū)段劃分，以各區(qū)段的最不利內(nèi)力進(jìn)行配筋，使配筋更合理。

2.3 計(jì)算工況

井壁各部位在不同的施工階段受力情況不同，包括外力的不同以及有無(wú)底板支承等。該工程施工方案為不排水下沉，水下封底，待頂管結(jié)束后對(duì)井內(nèi)進(jìn)行覆土。

下文以下沉階段(沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，且底板未澆筑的不利支承狀態(tài))和封底后(抽水結(jié)束，內(nèi)外壓力差最大)兩個(gè)不利工況為例，介紹SAP2000在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。SAP2000有限元分析模型如圖2所示。

(a)整體模型

(b)下沉階段內(nèi)隔條件

(c)封底后內(nèi)隔條件圖2 SAP2000有限元模型

其中，沉井階段為外墻+內(nèi)支撐墻，無(wú)頂蓋與底板，井內(nèi)水位一般低于井外水位。由于該工程所在位置歷史水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少，且施工時(shí)間很可能在降水較多季節(jié)，設(shè)計(jì)中偏保守按井外水位達(dá)到井壁上緣，且不考慮井內(nèi)水壓有利作用。外側(cè)壁荷載如圖3所示。

(a)外側(cè)壁水、土壓力 (b)線性變化表面壓力圖3 外側(cè)壁計(jì)算荷載

3 結(jié)果分析

3.1 變形與內(nèi)力

圖4顯示了沉井在下沉階段的變形與井壁WQ1(關(guān)鍵構(gòu)件)的彎矩圖(本文中，M11均為水平方向彎矩，M22均為豎直方向彎矩)，可以發(fā)現(xiàn)：整體變形對(duì)稱，撓度最大位置出現(xiàn)在WQ1下緣接近跨中位置；水平負(fù)彎矩最大處出現(xiàn)在WQ1與WQ2交接的下緣位置，水平正彎矩最大處出現(xiàn)在WQ1下緣中部；豎向負(fù)彎矩最大處出現(xiàn)在內(nèi)隔墻Q2與WQ1交接處Q2結(jié)束位置，豎向正彎矩最大處出現(xiàn)在WQ1下段的中部。

(a)整體變形圖

(b)WQ1彎矩云圖M11

(c)WQ1彎矩云圖M22圖4 變形與內(nèi)力云圖(下沉階段)

圖5顯示了沉井封底后的變形與井壁WQ1(關(guān)鍵構(gòu)件)的彎矩圖，可以發(fā)現(xiàn)：整體變形對(duì)稱，撓度最大位置出現(xiàn)在WQ1中部偏右位置；水平負(fù)彎矩最大處出現(xiàn)在WQ1與WQ2交接的墻身中部以及內(nèi)隔墻Q2的下緣位置，水平正彎矩最大處出現(xiàn)在WQ1中部偏右位置；豎向負(fù)彎矩最大處出現(xiàn)在底板與側(cè)壁交接位置(下緣為刃腳)，豎向正彎矩最大處出現(xiàn)在內(nèi)隔墻Q2結(jié)束位置與底板的中點(diǎn)。

(a)整體變形圖

(b)WQ1彎矩云圖M11

(c)WQ1彎矩云圖M22圖5 變形與內(nèi)力云圖(封底后)

3.2 多工況內(nèi)力包絡(luò)

SAP2000施工模擬，不僅可查看沉井在各施工階段變形與受力狀態(tài)，也可便捷地對(duì)構(gòu)件各部位最不利變形與內(nèi)力取包絡(luò)，使后續(xù)截面與配筋優(yōu)化更為便捷。

圖6顯示了沉井側(cè)壁WQ1在下沉與封底兩個(gè)階段內(nèi)力包絡(luò)圖，可以發(fā)現(xiàn)：水平向彎矩M11的正、負(fù)彎矩包絡(luò)值與下沉階段M11分布基本一致；豎直方向彎矩M22的負(fù)彎矩集中在內(nèi)隔墻Q2結(jié)束位置與底板位置，Q2結(jié)束位置負(fù)彎矩分布特征與下沉階段接近，底板位置負(fù)彎矩分布特征與封底階段接近。

(a)M11正彎矩包絡(luò)圖(b)M11負(fù)彎矩包絡(luò)圖

(c)M22正彎矩包絡(luò)圖(d)M22負(fù)彎矩包絡(luò)圖圖6 施工階段WQ1內(nèi)力包絡(luò)云圖

沉井階段與封底后階段的井壁內(nèi)力的應(yīng)力云圖，在內(nèi)隔墻Q2結(jié)束位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中，與其支座條件特點(diǎn)相吻合；在三角形外荷載作用下，外墻面呈現(xiàn)下部彎矩大于上部規(guī)律，與荷載分布特征相吻合。當(dāng)前計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)概念分析的趨勢(shì)相一致。

4 結(jié)論

(1)SAP2000可以通過(guò)指定“節(jié)點(diǎn)樣式”和面荷載的“表面壓力”快速準(zhǔn)確地施加水、土荷載。

(2)SAP2000的階段施工模塊可以方便地分析沉井在施工過(guò)程中的變形與內(nèi)力變化。

(3)SAP2000可以給出多組內(nèi)力的包絡(luò)云圖，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為方便。

綜上，利用SAP2000有限元建模優(yōu)勢(shì)，可很好地彌補(bǔ)一些非標(biāo)準(zhǔn)型矩形沉井用表格法或等代框架法存在的不足，在復(fù)雜的沉井設(shè)計(jì)中有很好的實(shí)用性。